[论文解读] Improved Cascade-Exciton Model of Nuclear Reactions

S. G. Mashnik, Arnold J. Sierk|ArXiv.org|Dec 24, 1998

Nuclear reactor physics and engineering参考文献 4被引用 21

一句话总结

本文对核反应的级联-非平衡模型（CEM）进行了重大改进，通过强制执行能量-动量守恒、采用精确的核质量与结合能，并优化态密度与截面近似方法，显著提升了级联、非平衡及蒸发阶段的计算精度。新版本CEM97a与CEM98在中能核反应模拟中表现出与实验数据更佳的一致性，尤其在中子能谱与同位素产额方面，优于早期的CEM95以及LAHET与HETC等竞争模型。

ABSTRACT

Recent improvements to the Cascade-Exciton Model (CEM) of nuclear reactions are briefly described. They concern mainly the cascade stage of reactions and a better description of nuclei during the preequilibrium and evaporation stages of reactions. The development of the CEM concerning fission is given in a separate talk at this conference. The increased accuracy and predictive power of the CEM are shown by several examples. Possible further improvements to the CEM and other models are discussed.

研究动机与目标

• 提升级联-非平衡模型（CEM）在中能核反应中的预测能力。
• 解决CEM95预测结果与实验数据之间的差异，特别是在中子能谱与同位素产额方面。
• 引入以往被忽略的物理效应，如精确的能量-动量守恒、改进的态密度参数以及π介子吸收效应。
• 实现对任意靶核在宽能区范围内核截面的可靠预测，支持ATW与APT等应用需求。
• 为未来拓展奠定基础，包括高能裂变与复合粒子（A > 4）的发射过程。

提出的方法

• 在每个模拟的级联事件中实施能量与动量守恒，使用实验测得的核质量与结合能，而非近似值。
• 优化态密度参数的系统性处理，并改进裂变鞍点处的核态密度描述。
• 引入更精确的基本截面数据，包括对准氘核的π介子吸收效应，以及折射、反射与透明度的影响。
• 新增一个子程序，用于在级联阶段实现复合粒子（A > 1）的复合过程。
• 修改非平衡与蒸发阶段，允许中等激发态核发射A > 4的碎片。
• 改进逆截面近似方法，并增强对α粒子在非平衡与蒸发阶段发射行为的建模。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不同靶核与入射能量下提升CEM对中子能谱预测的准确性？
• RQ2 能量-动量守恒与精确核质量对级联阶段模拟有何影响？
• RQ3 优化后的态密度参数与π介子相互作用模型如何影响非平衡过程与发射行为的描述？
• RQ4 对裂变与碎片发射过程的改进在多大程度上提升了与实验同位素产额的一致性？
• RQ5 引入复合过程与A > 4发射机制是否能提升模型在散裂反应中的表现？

主要发现

• 改进后的CEM97a与CEM98代码在预测中子能谱方面显著优于CEM95，尤其在1.5 GeV质子与π介子诱导反应中表现突出。
• 对于256 MeV质子轰击Al、Fe与Zr，以及1.5 GeV π+ 轰击Fe的反应，CEM98的预测结果与实验测量值在因子2以内，且在中高能区域一致性更优。
• 新模型在蒸发区域引入了‘缓冲区’，为裂变碎片释放的中子提供了空间，显著改善了整体能谱形状的再现能力。
• 在130 MeV质子轰击133Cs生成氙同位素的激发函数中，CEM97a的表现优于CEM95，并在精度上达到或超过LAHET与HMS-ALICE模型。
• 该模型成功再现了1.5 GeV能量下C、Al、Fe、In与Pb的双微分中子截面，验证了其预测能力，且无需重新拟合参数。
• 研究结果表明，引入以往被忽略的物理机制——如动量守恒、精确Q值与优化截面——可显著提升模型在各类核系统中的可靠性。